激光散斑襯比成像(LSCI)技術廣泛應用于大視場的組織表層血流成像，當需要實時在體監測生物體深層組織或腔內組織的血流分布及變化時，將LSCI與內鏡成像技術結合是解決LSCI成像深度問題的有效途徑。

中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所的吳瓊團隊搭建了腹腔鏡LSCI成像系統，并對微流體仿體和兔子大腸進行成像。實驗結果表明，所搭建的系統可以校正靜態散射以及消除系統噪聲對散斑襯比度的影響，利用單次曝光下的散斑襯比測量值可以實現血流的定量監測，該腹腔鏡LSCI成像系統將具有重要的臨床應用潛力。

研究背景
血管遍布我們的身體，任何一處血管出現問題都可能誘發疾病，像缺血性中風和腫瘤等。因此，實現在體血流監測對早期疾病診斷以及揭示疾病的發病機理意義重大。

目前現有的血流監測手段都存在一些局限性。比如核磁共振成像設備和正電子發射斷層成像設備，價格昂貴且時空分辨率較低X射線血管造影技術和熒光技術無法區分不同的流速差異，還需要向人體注入造影劑；傳統激光多普勒成像技術屬于單點測量技術，提高空間分辨率需結合機械掃描裝置，這又會降低時間分辨率。

而激光散斑襯比成像（LSCI）技術以其較高的時空分辨率、系統簡單以及全場實時成像的優勢被廣泛應用于在體血流監測。然而，LSCI技術的成像特點限制了光在組織中的穿透深度，局限于表層組織成像。當需要監測生物體深層組織或腔內組織的血流時，將LSCI與內窺成像技術結合就成為了解決問題的有效途徑，這也是LSCI發展的一個重要方向。

腹腔鏡LSCI系統原理
1、系統構成
該腹腔鏡LSCI系統使用波長為785nm的激光，激光經過商用腹腔鏡的照射通道后照射到被測樣品表面，這里的被測樣品可以是組織仿體，比如體積分數為1%的脂肪乳劑溶液，也可以是兔子大腸組織。溶液的流速通過注射泵來控制。后向散射光再經過腹腔鏡和焦距為75mm的消色差透鏡，最后被色深位數為12bit的CMOS相機采集。相機的曝光時間設置為5ms，圖像的最大分辨率為2048pixel×2044pixel。為了保證較高的信噪比以及散斑大小，腹腔鏡與被測樣品間的工作距離限制在1.0-2.5cm之間，整個成像系統被放置在光學隔離平臺上。

2、血流定量測量原理
在這個系統中，血流定量測量的原理是基于散斑襯比度的。散斑源于相干光被散射后的隨機相干疊加過程，當散射顆粒運動時，相機接收到的散斑圖樣會出現改變，其模糊程度用襯比度來量化，也就是散斑光強的標準差與均值的比值。通過特定的公式，我們可以知道散斑的襯比度是關于曝光時間的函數，且與散斑光強相關函數的相關時間有關，被認為與散射顆粒的運動速度成正比。

但是，我們還需要考慮靜態散射對襯比度的影響。通過一系列復雜的公式推導和計算，我們可以獲得動態散射參數，最終基于單次曝光下獲得的襯比度測量值來定量獲得。

3、校正噪聲
在激光散斑襯比成像中，噪聲因素眾多，像相機暗噪聲和光散粒噪聲等都會影響散斑襯比度動態測量范圍。這里采用了特定的方法來校正這些噪聲對散斑襯比度的影響，確保測量的準確性。

實驗方案與結果
1、仿體實驗
為了驗證基于單曝光LSCI的血流定量測量的準確性，研究人員設計了脂肪乳溶液流體模型。將一定體積分數的脂肪乳溶液用注射泵推進毛細玻璃管中，通過設定直徑和體積流，注射泵以不同的速度推動溶液流動，照射于溶液的激光被后向散射經腹腔鏡和相機采集后形成動態散斑圖像。

這個運動模型不僅有溶液的定向流動，還有其自身散射粒子的布朗運動，更接近血流的流速分布。實驗中使用了三組不同直徑的毛細玻璃管，腹腔鏡與毛細玻璃管間的工作距離為1.2cm，成像視野的大小為10.4mm×10.4mm。

5、動物實驗結果
在動物實驗中，以作為流速指標，清晰地展示了兔子腹腔內大腸分叉血管阻斷再灌注的過程。從結果可以看到，系統對監測流速變化非常敏感，能夠準確反映血管阻斷和再灌注過程中血流的動態變化。

技術優勢與應用前景
1、技術優勢

• 高分辨率成像：腹腔鏡激光散斑血流成像技術結合了LSCI的優勢，能夠實現微米量級空間分辨率和毫秒量級時間分辨率的血流監測。這意味著醫生可以更清晰地觀察到微小血管中的血流情況，對于一些微小病變的早期發現和診斷具有重要意義。例如，在視網膜病變的診斷中，這種高分辨率的成像能力可以幫助醫生更準確地檢測到視網膜微血管的異常血流，從而及時采取治療措施。
• 實時定量監測：通過對系統的優化和算法的改進，該技術能夠實現血流的實時定量監測。在手術過程中，醫生可以實時了解組織的血流灌注情況，這對于評估手術效果、避免手術并發癥以及指導后續治療都具有重要價值。比如在肝臟手術中，實時監測肝臟組織的血流變化，可以幫助醫生判斷手術是否影響了肝臟的血液供應，及時調整手術方案，提高手術的安全性和成功率。
• 非侵入性或微創性：與一些傳統的血流監測技術相比，腹腔鏡激光散斑血流成像技術具有非侵入性或微創性的特點。在進行檢測時，不需要對患者進行大規模的手術或注入大量的造影劑，減少了患者的痛苦和風險。特別是在一些需要多次進行血流監測的疾病治療過程中，這種微創性的檢測方式更容易被患者接受，也有利于患者的康復。

• 疾病診斷和早期篩查：隨著人們對健康的重視程度不斷提高，疾病的早期篩查變得越來越重要。腹腔鏡激光散斑血流成像技術有望應用于多種疾病的早期篩查，如心血管疾病、腫瘤等。通過對身體不同部位的血流成像分析，可以發現一些早期的血流異常變化，為疾病的早期診斷提供線索。例如，在心血管疾病的早期篩查中，可以觀察到冠狀動脈的血流變化，及時發現潛在的心血管風險。
• 手術導航和術中監測：在手術過程中，準確的手術導航和實時的術中監測是確保手術成功的關鍵。腹腔鏡激光散斑血流成像技術可以為手術提供實時的血流信息，幫助醫生更好地定位病變組織，避免損傷重要的血管和神經。同時，在手術過程中實時監測組織的血流灌注情況，可以及時發現手術可能導致的血流異常，采取相應的措施進行補救，提高手術的質量和安全性。例如，在神經外科手術中，該技術可以幫助醫生避免損傷腦部的血管，確保手術的順利進行。
• 藥物研發和治療效果評估：在藥物研發過程中，了解藥物對組織血流的影響是評估藥物療效的重要指標之一。腹腔鏡激光散斑血流蒼老成像技術可以用于觀察藥物對組織血流的作用，為藥物研發提供有力的支持。在治療過程中，通過對治療前后組織血流變化的監測，可以評估治療效果，及時調整治療方案。例如，在腫瘤治療中，可以觀察到化療藥物對腫瘤組織血流的影響，判斷藥物是否有效，為后續治療提供參考。

總結與展望
盡管腹腔鏡激光散斑血流成像技術具有諸多優勢和廣闊的應用前景，但在實際應用中仍然面臨一些挑戰：

• 成像深度的進一步提高：雖然該技術在一定程度上解決了LSCI成像深度有限的問題，但對于一些深層組織的血流成像，仍然需要進一步提高成像深度。這可能需要在激光技術、光學系統設計以及圖像處理算法等方面進行進一步的研究和創新。

• 復雜環境下的穩定性：在臨床應用中，成像系統往往需要在復雜的環境下工作，如手術室中的電磁干擾、患者的身體運動等。這些因素可能會影響成像的質量和穩定性。因此，需要研究如何提高系統在復雜環境下的抗干擾能力和穩定性，確保成像結果的準確性和可靠性。

• 多模態成像融合：為了更全面地了解組織的生理和病理狀態，將腹腔鏡激光散斑血流成像技術與其他成像技術進行融合是一個重要的發展方向。例如，與超聲成像、磁共振成像等技術相結合，可以實現多模態成像，提供更豐富的信息。但這也帶來了技術上的挑戰，如何實現不同成像模態之間的準確融合和信息互補是需要解決的問題。

腹腔鏡激光散斑血流成像技術作為一種新興的醫學成像技術，具有巨大的潛力和廣闊的應用前景。盡管目前還面臨一些挑戰，但隨著科學技術的不斷進步，我們有理由相信這些問題將逐步得到解決。未來，該技術有望在疾病診斷、治療和藥物研發等領域發揮更加重要的作用，為人類健康事業做出更大的貢獻。

聲明：本文僅用作學術目的。文章來源于:吳瓊,周偉,徐寶騰,劉家林,楊西斌,王馳,熊大曦.腹腔鏡激光散斑血流成像技術[J].光學學報,2022,42(7): 0717001.Qiong Wu,Wei Zhou,Baoteng Xu,Jialin Liu,Xibin Yang, Chi Wang,Daxi Xiong.Laparoscopic Laser Speckle Blood Flow Imaging Technology[J].Acta Optica Sinica,2022,42(7):0717001.